HdfR/MaoP pathway of Escherichia coli regulates flagella expression and growth in aquatic environment

Der Lebenszyklus von Escherichia coli ist zweiphasig. Die primäre Umgebung dieses Organismus ist der untere Darmtrakt von Warmblütern und Reptilien. Sobald dieses Bakterium von einem tierischen Wirt ausgeschieden wird, gelangt es in seinen sekundären Lebensraum: Die äußere Umgebung wie Wasser, Sand oder Erde. Früher wurde davon ausgegangen, dass die lebensfähigen Darmbakterien außerhalb des Darms nicht lange überleben können, wobei das Vorhandensein von E. coli im Boden oder Wasser lediglich auf eine kürzlich erfolgte Fäkalienkontamination zurückzuführen ist. Es gibt jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass trotz aller Umweltstressfaktoren zumindest einige E. coli-Stämme über längere Zeiträume in der sekundären Umgebung überleben und sich vermehren können. Während sich frühere Forschungen hauptsächlich auf externe Faktoren konzentrierten, die das Überleben von E. coli außerhalb des Wirts beeinflussen, wie Nährstoffknappheit, osmotische Verschiebungen, Prädation usw., spielen bekanntermaßen auch genetische Determinanten wie der Stressreaktionsweg eine wichtige Rolle. In dieser Arbeit wollten wir anhand des Seewasser-Modells systematisch Gene identifizieren, die für das Überleben von E. coli in seiner sekundären Umgebung wichtig sind. Unsere Ergebnisse belegen und erweitern die Bedeutung und den Dualismus des Stressreaktionswegs für das Wachstum von E. coli außerhalb des Darms, mit dem überraschenden Ergebnis, dass die Mutationen im allgemeinen Stressreaktions-Sigmafaktor σS für das Wachstum im Seewasser von Vorteil sind. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass Defekte in der Membranintegrität schädlich für das Wachstum sind. Außerdem identifizierten wir Mutationen in zwei benachbarten, kaum charakterisierten Genen, hdfR und maoP, die sich positiv auf das Wachstum von E. coli im Seewasser auswirken. Wir haben gezeigt, dass die Mutationen in hdfR σS-abhängige Funktionen, wie z. B. die Biofilmbildung signifikant hemmen. Die anschließende Analyse des HdfR- und MaoP-Paares zeigte, dass diese ein neuartiges Regulierungssystem bilden, das mehrere zelluläre Funktionen steuert, darunter Flagellenexpression, Plasmidkopienzahl und Chromosomenorganisation. Obwohl HdfR zuvor als negativer Transkriptionsregulator des Flagellen-Masteroperons flhDC beschrieben wurde, konnten wir zeigen, dass seine Wirkung auf die flhDC-Expression nicht direkt ist, sondern vielmehr durch MaoP vermittelt wird. MaoP wird selbst durch HdfR transkriptionell reguliert. Darüber hinaus beeinflusst dieses System die Kopienzahl des ColE1-Plasmids und die Organisation des E. coli-Chromosoms.